铸铁件冷铁冒口的研究和应用

辽阳锻压机床股份有限公司 （辽宁 111000） 张怀敏 杨东明

1.概述

冷铁冒口是根据铸件均衡凝固理论与有限补缩原则，结合无冒口铸造的理论设计的新型冒口，其特点体现在压边冒口颈处安放冷铁，利用冷铁吸热消除冒口和铸件形成的接触热节，并充分利用铁液的凝固膨胀获得质量较好的铸件。

例如，结构尺寸如图1所示的圆盘类铸件，要求内部组织致密，无缩孔、缩松。由于以前的粘土砂干型造型工艺一直不定型，质量很不稳定。若采用传统的方法设计冒口，则铸件的冒口根部至中间热节处常产生不同程度的缩孔、缩松缺陷。而改用压边冒口加分散小浇道工艺，在冒口的下部盘的中间部位约90°的范围内仍有严重的缩松，而用无冒口铸造，铸件上平面出现缩凹，都会影响盘的加工和使用。应用冷铁冒口工艺后，彻底消除了盘内缩孔、缩松缺陷，取得了显著的效果。

2.原工艺存在的问题分析

（1）传统顺序凝固工艺存在的问题 ①平做平浇。在铸件的顶面设置3个明冒口（φ160mm×350mm），如图2所示。此工艺进入冒口的铁液温度较低，降低了冒口的补缩效果。由于铁液的热对流和补缩流动，冒口颈处和铸件的连接处热量集中，造成物理热节和铸件几何热节相重合，使冒口和盘的接触热节加大，因此去除冒口后，冒口根部及冒口部位盘的内部常有缩孔、缩松，且冒口根部石墨粗大，组织较疏松，工艺出品率低，质量不稳定。②平做立浇。在盘的径向加一个φ160mm×350mm的明冒口，如图3所示。此工艺虽预热冒口，并增加了冒口的压力，但仍有缩孔、缩松，且盘的断面质量不均匀。

由此可见，应用传统工艺方法设计冒口，要使热节由铸件转移到冒口，就需要非常强的顺序凝固形式，而要想使冒口对后期收缩进行补偿，这是不可能的。只有充分利用膨胀，将膨胀引起的压力用于补偿后期收缩，才能生产出具有较高工艺出品率且没有缩松的铸件。

（2）压边冒口加分散内浇道存在的问题 平做平浇，在铸件上面加一个或两个压边冒口，分散内浇道，如图4所示。由于冒口底部的型砂过热，打破了原来铸型的温度分布状态，使其形成人为热节，且压边宽度对铁液温度、化学成分有严格的要求，难以掌握，冒口颈不能在有限补缩后及时封闭，或是未实现有限补缩就已经封闭。去除冒口后，压边处常出现缩孔、缩松，且冒口处盘的中间部位约90°的范围内有明显缩孔、缩松。

（3）无冒口铸造存在的问题 采用分散浇道的无冒口铸造，由于冲天炉熔化铁液，材料不能定点供应，无法保证高的冶金质量，并且球墨铸铁和蠕墨铸铁存在衰退问题，不能保证在要求的温度范围内浇注，因此铸件的上平面出现缩凹，且盘的上部有石墨粗大现象。

3.冷铁冒口的应用

（1）理论依据 根据美国学者卡塞博士的研究理论，生产模数大于2.5cm的厚大球墨铸铁件和灰铸铁件，在高的冶金质量和铸型强度下，可以无冒口铸造。但由于熔炼的冶金质量差且成分不稳定，尤其是球墨铸铁和蠕墨铸铁存在衰退问题，不能保证要求的浇注温度，所以必须采用小冒口进行补缩。

我们运用均衡凝固理论，采用压边冒口进行液态补缩。但由于压边冒口本身的特点决定了冒口无明显的冒口颈，这对冒口与铸件补缩系统的冷却，以及凝固条件和铸型温度场的分布产生了影响，不能有效地利用有限补缩，因此如何消除这部分影响是解决问题的关键。

根据上述理论，结合生产实践，以互为补充为原则，我们研究应用了冷铁冒口新工艺，在冶金质量不高、铁液温度波动大的情况下，生产出了内部组织致密的铸件。

（2）冷铁冒口的补缩机理 冷铁冒口工艺是无冒口铸造理论同均衡凝固理论的有机结合。采用压边冒口的形式，在压边缝隙处安放大小和形状合适的冷铁，用冷铁来平衡冒口根部集中的热量，消除人为热节，自适应地调节冒口对铸件以及铸件自身的补缩能力。同时，冷铁又可以加快压边冒口缝隙处的凝固速度，从而使压边宽度增加，这使液态补缩更加充分有效，在达到均衡时，在冷铁的作用下冒口缝隙迅速凝固封闭，利用其自身的膨胀压力获得健全的铸件。

（3）冷铁冒口的应用条件 ①模数大于2.5cm的各类球墨铸铁、蠕墨铸铁、灰铸铁及合金铸件。②普通粘土砂干型和其他自硬砂型。

4.应用案例

（1）用此工艺生产的摩擦盘、蠕墨铸铁盘、合金精研盘及球墨铸铁板，彻底解决了铸件内部缩松问题，使其使用寿命提高了一倍以上。

（2）用冷铁冒口工艺生产厚大球墨铸铁件，得到了满意效果。如2.5t球墨铸铁机身，铸件表面完好，经无损检测，内部无任何缺陷。

浇注系统采用半封闭式，内浇道分散引入。各单元截面比为F内∶F横∶F直=1∶（1.3～1.5）∶（1.1～1.3）。

5.结语

（1）冷铁冒口应用于厚大球墨铸铁件、蠕墨铸铁件和灰铸铁件，彻底解决了铸件内部的缩孔和缩松问题。

（2）冷铁冒口的应用，放宽了对冶金质量的要求，适应性强。

（3）放宽了压边宽度值，降低了冒口对压边宽度的敏感性。

（4）由于冷铁可迅速封闭冒口颈，铸件在浇注过程中可一次浇注到要求高度，而不用点冒口，给操作带来了很大方便。

（5）冷铁冒口的应用，提高了铸件的工艺出品率，社会效益和经济效益显著。

（20121020）